2 장 재료 2.1 개요

2 장 재료 2.1 개요

 철근콘크리트 구조의 성립

철근 (Steel) : 인장 , 압축에 모두 강하나 압축력에 대하여 좌굴을 ＋ 일으킨다 .

콘크리트 (Concrete) :

압축

에 강하고 인장에 약함

 ( 철근＋콘크리트 ) : 부착성능이 높고 , 열팽창 계수가 비슷하여 열 변화에 의한

분리

현상이 없다 .

- 콘크리트의

피복

은 철근의

부식

을 방지 - 철근은 콘크리트의

균열

을 방지하는 역할 - 철근의 역학적 특성에 대한 신뢰성은 높다 .

콘크리트의 재료적 , 역학적 성질에 영향을 미치는 요인

 시멘트의 품질과 종류 , 분말도

 골재의 입도와 강도

 혼화제의 사용

 물 / 시멘트 비 등의 재료 자체의 요인

 진동 , 재료 분리 , 온도 , 습도 등 콘크리트 타설 공사와 양생과정의 요 인

콘크리트의 역학적 성질



압축강도

: fck=15MPa, 18, 21, 24, 27, 30, 35, 40, 50, 60 ...

 단위체적 중량 : 콘크리트 ρ=2300kg/m³

철근콘크리트 ρ=2400kg/m³

 poisson 비 : υ=1/6=0.167



탄성계수

(fck≤30MPa)



변형도

: εy=0.0015 ～ 0.003( 단 , εu=0.003)

) (

4700 f MPa

E

_c



_ck

2.2 콘크리트의 구성재료

 포틀랜드

시멘트 , 물 , 골재

( 잔골재 , 굵은골재 ), 혼화재료로 구성

(1) 시멘트 (Cement) : KSL5201

 주성분 : 실리카 (SiO₂), 석회 (CaO), 알루미나 (Al₂O₃)

 제조방법 : 규산질 점토와 석회석을 미세하게 분쇄하여 1:4 의 비율로 혼합하여 kiln 에서 소성 ( 燒成 ) 하여 Clinker 를 만든 후 소량의 석고 를 가하면서 가루로 만든다 .

 시멘트의 성질 : 재료의 배합비 , 소성온도 , 분말도에 의해 결정

 시멘트의 종류

1 종 : 보통 콘크리트용 2 종 : 중용열 콘크리트용 3 종 : 조강 콘크리트용

 관련 한국공업규격

KSL 5201 : 시멘트의 종류 ,

KSL 5101 ～ KSL 5110: 시멘트의 시험 방법 규정

(2) 골재 (Aggregates)

 시멘트 페이스트 (Paste) 와 결합하여 중량효과를 가진다 .

 모래 , 자갈 , 쇄석 , 고로 슬래그 (slag) 등의 불활성 입상재료

 콘크리트에서 골재가 차지하는 부피비율 (70 ～ 75%)

 조립률 (finess modulus) : 골재의 입도를 나타내는 지표

( 표준체 :0.15, 0.3, 0.6, 1.2, 2.5, 5, 10, 20, 40 ㎜체 (9 종류 ))

잔골재 ( 모래 ) : 체규격 5 ㎜망체를 중량비로 85% 이상 통과하는 골재 KSF2501 ～ KSF2510 : 골재의 시험방법 규정

굵은골재 ( 자갈 ) : 체규격 5 ㎜망체를 중량비로 85% 이상 남는 골재

 굵은골재의 허용치수

① 거푸집 양측면 사이의 최소간격 1/5 이하 ② 슬래브 두께의 1/3 이하

③ 철근 최소간격의 3/4 이하

④40 ㎜이하 , 단 부재치수가 작은 부재 ( 슬래브 , 벽체 등 ) : 25 ㎜ 이하

(3) 혼화재료 (admixture)



혼화제 ( 混和劑 ):

그 자체의 용적이 콘크리트나 모르타르의 배합 설계시에 용적이 산입되지 않는 재료

AE 제 , 감수제 , 지연제 , 촉진제 , 방수제 , 방청제 , 기포제 , 발포 제 ...



혼화재 ( 混和材 ):

그 자체의 용적이 콘크리트나 모르타르의 배합 설계시에 용적이 산입되는 재료 . Cement 대용으로 사용 플라이애쉬 , 고로슬래그 , 실리카 퓸 , 화산재 , 팽창재 , 충진재 ....

2.3 콘크리트의 강도

 콘크리트 강도의 종류

압축강도 (Compression Strength) : 설계기준강도 (f_ck) 인장강도 (Tensile Strength)

전단강도 (Shear Strength) 압축강도와 밀접한 철근과의 부착강도 (Bond Strength) 상관관계를 가짐

압축강도 시험의 종류



배합설계용 시험

: 배합설계에서 배합된 콘크리트가 목표한 강도를

발휘하는지를 확인하는 시험 . 1 번 배합에서 30 회 시험



압축강도 관리용 시험

: 현장이나 레미콘 회사에서 콘크리트 압축

강도 관리를 목적으로 일정한 사용량에 주기적으로 실시한다 .

 시험기준 : KS F2401( 굳지 않은 콘크리트의 시료 채취 방법 ) 콘크리트 구조설계기준 2.3.3 콘크리트의 평가와 승인 (1) 하루에 1 번 이상

(2)150m³ 당 1 번 이상

(3) 슬래브나 벽체의 표면적 500m²당 1 번 이상 채취

(4) 드럼트럭 믹서에서 채취 시 3 회 이상 규칙적인 간격으로 채취하고 , 배출 시작과 끝에서는 채취 불가 .

콘크리트 강도에 영향을 미치는 요인

 재료 : 시멘트 종류 , 혼화제 종류 , 골재 종류 및 크기

 배합 : 물시멘트비 , 단위수량 , 혼화제양 , 혼화재량 , 공기량

 제조 : 혼합시간 , 재료 투입순서 , 콘크리트 온도

 시험체 제작 : 시험체 형상 및 크기 , 단면 처리 상태 , 다짐정도 , 코아 채취 위치 및 방향

 양생 : 양생기간 , 건습상태 , 이력온도

 시험체 상태 : 건습상태 , 시험체 온도

 가력조건 : 재하속도 , 시험체 설치상태 , 응력상태 ( 일축 , 다축 )

 시험기 : 가압판형상 및 크기 , 구좌형상 및 크기 , 강성 , 지주수

물 / 시멘트 비 영향 재령 기간

2.3.1 공시체 제작

 공시체 제작 관련 기준

KS F 2403( 콘크리트 강도 시험용 공시체 제작 방법 )



표준공시체 :

설계기준강도의 기준으로 삼는 시험용 공시체

( 한국 , 미국 , 프랑스 ) : 지름 (ø) :15 ㎝ , 높이 30 ㎝인 원주공 시체

( 일본 ) : 지름 10 ㎝ , 높이 20 ㎝인 원주공시체

( 영국 , 독일 , 이탈리아 ) : 10 ㎝정육면체 각주 공시체가 사용

 원주공시체의 압축강도보다 20 ～ 25% 높게 측정된다 .

 재하면의 마무리 면의 평면도는 0.05mm 이하

 공시체 종류에 따른 보정계수 ( 표 2.2 참조 )

표 2.2 공시체의 형상 , 치수와 압축강도와의 관계

공시체형상 공시체

치수 ( ㎝ )

ø15×30 원주 공시체 강도와의 비

ø15×30 원주 공시체 강도로 환산 값 원주공시체 ø10×20

ø15×30 ø25×50

1.03 1.00 0.95

0.97 1.00 1.05

입방체 10

15 20 30

1.331.25

1.20 1.11

0.750.80

0.83 0.90 직방체 15×15×4

5

20×20×6 0

0.95

0.95 1.05

1.05

2.3.2 콘크리트 압축강도와 탄성계수

 콘크리트 압축강도 시험방법 : KS F2405

- 가압판과 공시체의 재하면 사이에는 0.25mm 이상의 요철이 생기지 않아야 함

- 공시체의 가력 속도는 초당 1.5 ～ 3.5kg/cm² 으로 연속적으로 가력 (fck=240kg/cm² 인 경우 70-160 초 정도 시간이 소요 )

 압축강도의 정의 : 재령 28 일 되는 표준 공시체의 일축방향 압축강도

탄성계수 (E

_c

)

 콘크리트의 공극률과 관계되어 , 무게와 압축강도의 함수이다 . f_ck ≤30MPa :

fck >30MPa :

여기서 ,

W

_c : 콘크리트의 단위체적당 무게 =1450 ～ 2500 ㎏ / ㎥

f

ck : 공시체 압축강도



W

c=2300 ㎏ / ㎥인 경우 fck ≤30MPa :

fck >30MPa :

) (

043 .

0 W

^1.5

f MPa E

_c



_{c ck}

) (

7700 030

.

0 W

^1.5

f MPa

E

_c



_{c ck}



) (

4700 f MPa E

_c



_ck

) (

7700

3300 f MPa

E

_c



_ck



콘크리트의 응력 - 변형도 관계

콘크리트 강도에 따른 응력도 - 변형도 관계 곡선

2.3.3 콘크리트의 인장강도

 인장강도 : 압축강도의 8 ～ 15%

 콘크리트 인장시험방법 (ⅰ) 직접인장시험

봉 모양의 콘크리트 시험체를 인장용 기구를 이용하여 양끝에서 잡아당겨 파단시키는 방법

 시험 방법 :

콘크리트 인장시험방법

(ⅱ) 쪼갬시험 (KS F2423) ø15×30 원주공시체 사용 쪼갬시험 공식의 근거

→ 응력 이론식으로

dh f

_sp

p



 2

콘크리트 인장시험방법

(ⅲ) 훰 강도시험 (KSF 2407, 2408)

150×150×750 ㎜ 무근콘크리트 보 이용하여 3 등분점 가력 2

6 bh f

_r

 M Z

y M I

M 

 

6 bh

2

Z 

압축강도와 인장강도의 관계 : 그림 참조

2.3.4 다축 응력 상태에서의 콘크리트 강도

 다축 응력 상태에서 강도의 증가 : poisson 비에 의한 횡방향 인장 변형도를 구속

(ⅰ) 2 축 응력 : 휨모멘트와 전단력을 받는 구조부재 - 보 , 전단벽 등

σ

²=

σ

¹ :

σ

=1.18f^ck

σ

²=(1/2)

σ

¹ :

σ

=1.25f^ck

(ⅱ) 3 축 응력 : 수압을 받는 해양 구조물

σ

¹=f^ck +4.1

σ

³

(

σ

²=

σ

³ 의 횡방향 구속응력이 발생할 때 )

고강도 콘크리트

 정의 : 압축강도 fck=420kg/cm² 이상의 강도를 갖는 콘크리트 실무 현장에서 fck=1400kg/cm² 까지 적용 예가 있다 .

 제조 : 공기 연행제 , 화학 혼화제 , 광물 혼화제 ( 플라이 애쉬 , 슬래그 시멘트 , 실리카 흄 ) 등이 사용

 역학적 성질 : 탄성계수 , 휨강도 , 인장강도 , 전단강도 , 부착강도 등의 역학 적 성질은 보통 콘크리트 강도와 다른 성질을 보이므로 , 실험 자료를 이용하 여 설계에 반영하고 있다 .

 탄성계수 (Ec): 고강도 콘크리트에서는 강도의 증가와 함께 증가한다 . - 부재의 장 , 단기 처짐을 감소시키는데 효과적이다 .

kg/cm²

 인장강도 : kg/cm²

 쪼갬인장강도 : kg/cm²

5 .

)1

)(2300 70000

10600

( _ck ^c

c

f w

E  

ck

r

f

f  3 . 1

ck

sp

f

f  1 . 96

2.3.6 설계 기준 강도와 배합강도

 설계기준강도 (specified compressive strength, fck)

: 콘크리트 부재를 설계할 때 기준으로 한 재령 28 일 압축강도

 배합강도 (required average strength, target mean strength, fcr)

: 콘크리트의 배합을 정할 때 목표로 하는 재령 28 일 압축강도 . 설계기준강 도를 확보하기 위하여 , 미리 압축강도의 변동을 고려해서 설계기준 강도를 적 절한 수준으로 웃도는 강도를 얻도록 배합을 정하여 콘크리트를 제조한다 .

 [ 배합강도의 조건 ]

(i) 현장에서의 콘크리트 압축강도의 시험치가 설계기준강도 fck의 80% 이하 로 되는 일이 1/20 이상의 확률로 일어나서는 않된다 .

(ii) 시험치가 설계기준강도 fck 이하로 되는 일이 1/4 이상의 확률로 일어나서 는 안됨 .

 콘크리트 설계기준의 설계기준강도 (fck) 와 배합강도 (fcr) 와의 관계 fcr=fck+1.34s ( ㎏ / ㎠ ) or fcr=(fck-3.5)+2.33s ( ㎏ / ㎠ )

표준편차 값이 없을 때는 s=0.15fck로 사용 .

2.4 콘크리트의 건조수축과 크리이프

 건조수축 : 응력을 유발

 크리이프 : 응력을 이완 → 시간 종속적인 체적변형

 변형도 ε= 0.0004 ～ 0.001 를 일으킴 ( cf. 탄성 변형도 ε_y=0.0025 )

(1) 건조수축 (drying shrinkage)

 정의 : 시멘트에 붙어있는 수분이 증발하여 콘크리트에 생기는 체적변형 .

 콘크리트 경화초기에 많이 발생하고 시간경과에 따라 줄어든다 .

 건조수축에 미치는 요인

상대습도 : 대기상태의 상대습도가 적은 경우 초기에 수축률 증가 , 1년후 서서히 줄어듬 ( 그림 2-9)

골재의 함량 : 골재는 수축을 억제하는 효과 발휘 ( 그림 2-10) 물 / 시멘트 비 ( 그림 2-10)

(2) 크리이프 (creep) ( 그림 2-11)

 정의 : 경화된 콘크리트에 지속하중이 작용할 때 생기는 시간 종속적인 변형도 .

 크리이프의 종류

기본 creep : 콘크리트와 주변과의 수분 이동이 차단된 상태에서 발생

건조 creep : 건조에 의한 변형도 → 건조수축과 동시에 발생

크리이프의 일반적 성질

① 콘크리트의 크리이프 변형률은 fck의 1/2 이하의 응력하에서는 가해진 응 력에 비례한다 .

② 재령 : 재하 후 , 처음 28 일 동안에 총 크리이프 변형률의 1/2 정도가 진행 되며 처음 3 ～ 4 개월 동안에 최종 값의 3/4 이상 진행되고 2 ～ 5 년 후 에 최종 값으로 정지한다 .

③ 물 시멘트비와 단위 시멘트량이 작을수록 크리이프량은 적어진다․ .

④ 콘크리트 강도 : 크리이프에 가장 큰 영향을 미친다 .

⑤ 골재 : 크리이프를 감소시키는 효과

⑥ 온도 : 70℃ 까지는 크리이프가 증대하고 , 70 ～ 110℃ 에서는 감소하여 11 0℃ 이상에서는 증가 , 화재시 크리이프 증가

⑦ 상대습도 : 상대습도가 낮을수록 증가한다 .

⑧ 크리이프 변형률은 탄성변형률의 1.5 ～ 3 배 정도에 달한다 .

⑨ 진동기를 사용해 다짐하면 크리이프량이 적어진다 .

⑩ 단면의 치수가 클수록 크리이프량은 적어진다 .

2.5 콘크리트 보강용 보강재

 콘크리트는 압축강도에 비하여 인장강도가 매우 낮다 (1/10 ～ 1/15) 인장을 받는 부재에는 보강이 필요

 보강재로써의 조건

① 열팽창계수가 비슷해야 한다 - 열에 의한 분리현상 방지

② 부착성능이 우수 - 콘크리트와 보강재가 일체화 되어 응력전달이 원만

 보강재 : 철근 ( 강재 ), 용접철망 , 강선

 보강방법에 따라 - 철근 콘크리트

- 프리스트레스트 콘크리트 - post-tension 콘크리트 - preflex 보

- 철골철근콘크리트

보강재

(1) 철근

 열간 압연으로 제조

 KSD3504 규정

 종류

원형철근 : 가공성이 우수 ø10 (10 ㎜ )

이형철근 : 부착강도를 높이기 위하여 고안 , 표기 D10, D13

보강재

 역학적 성질

탄성계수 (E^s), 항복강도 (f^y), 인장강도 (f^u), 연신율 (%) Es= 200,000 MPa

항복 변형도

ε

^y=0.002

 철근의 종류별 항복강도 및 인장강도 값 ⇒ 표 2.3 참조

 연신율 (%) : 철근 파단시의 변형도 , 15% 이상

표 2.4 이형철근의 치수

호칭명 단위무게 (kg/m)

공칭지름 (mm)

공칭단면적 (mm²)

공칭둘레 (mm)

마디의 평균간격 최대치 (mm) D6

D10 D13 D16 D19 D22 D25 D29 D32 D35 D38 D41 D51

0.249 0.560 0.995 1.56 2.25 3.04 3.98 5.04 6.23 7.51 8.95 10.50 15.9

6.35 9.53 12.7 15.9 19.1 22.2 25.4 28.6 31.8 34.9 38.1 41.3 50.8

31.6 71.4 126.7 198.6 286.5 387.1 506.7 642.4 794.2 956.6 1140.0 1340.0 2027.0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 160

4.4 6.7 8.9 11.1 13.4 15.5 17.8 20.0 22.3 24.4 26.7 28.9 35.6

표 2.3 철근의 종류

종류 기호 항복강도

또는0.2% 내 력 (MPa)

인장강도(MPa) 연신율 (%) D25 미

만

D25 이상

원형철근 SR 24 SR 30

235 이상 294 이상

382 ～ 520 441 ～ 598

20 이상 18 〃

24 이상 208 〃

이형철근 SD 30A SD 30B SD 35 SD 40 SD 50

294 이상 294 ～ 392 343 ～ 441 392 ～ 510 490 ～ 628

441 ～ 598

441 이상 490 이상 559 이상 618 이상

16 이상 16 〃 18 〃 16 〃 12 〃

18 이상 18 〃 20 〃 18 〃 14 〃

철근의 응력 - 변형도 곡선

(2) 용접철망

 냉간 신선을 거친 연강선을 격자형으로 용접하여 사용

 KS D 7017

 벽체나 슬래브 등과 같이 평면적으로 넓은 구조부재에 사용하기가 편리 하다 .

 장점 : 가공조립의 인력이 절감되고 배근이 정확

 단점 : 망눈 치수에 제한 , 구부림 절단 등에 의한 손실 과다

 재료의 연신율 (3-8%) 이 낮다 .

 설계규준의 항복강도 설정방법

※ f^y≥ 400 MPa 일 때 ε ^y≥ 0.0035 에 해당하는 값으로 사용해도 무방